Rambler's Top100 фл.семафором циклон

исполнить цепочку-на главную в кубрик-на 1 стр.
  • главная
  • астрономия
  • гидрометеорология
  • имена на карте
  • судомоделизм
  • навигация
  • устройство НК
  • памятники
  • морпесни
  • морпрактика
  • протокол
  • сокровищница
  • флаги
  • семафор
  • традиции
  • морвузы
  • моравиация
  • мороружие
  • словарик
  • кают-компания



  • Мёртвая зыбь
     

    Василий Букреев



     

     

    В современном естествознании наблюдается узкая специализация. Природа же едина в своих проявлениях. Но в каждой из отраслей знаний накоплен такой объём информации, что один человек не в состоянии объять необъятное. Тем не менее, несомненные достоинства узкой специализации имеют и свои недостатки. Новые знания из одной отрасли в другую проникают с большим запозданием или вообще не проникают.

     

     

    Механизм формирования мёртвой зыби

     

     

    Наиболее разительным примером является вихревое движение. Вихри Тейлора и вихри  Бенара, открытые в начале прошлого века даже в самой гидродинамике не нашли применения. В конце же прошлого века экспериментально было определено  [1], что когерентная система вихрей Тейлора возникает в пограничном слое на поверхности твёрдого тела (закон сохранения момента количества движения требует при этом формирования парных вихрей, двигающихся в противоположные стороны). При этом вихри двигаются по поверхности в направлении перпендикулярном направлению потока. А т.к. они, как единое целое, не разрушаясь в течение какого-то времени, сносятся потоком, то траектория их движения приобретает вид ёлочек.

     

     

    Рисунок 1.

    Траектории движения вихрей

     

     

    Но эту ситуацию пограничного слоя мы имеем и на границе воздушной и водной среды. Воздушный поток штормового ветра действует на водную поверхность. И в соответствии с работой [1] на водной поверхности обязана формироваться система вихрей Тейлора. Т.к. воздушная граница твёрдым телом не является, то система вихрей Тейлора приобретает вид волн, двигающихся в направлении ветра как единое целое. Т.е. каждая из пар вихрей Тейлора двигается в противоположных направлениях по профилю волны. И чем больше скорость ветра, тем больше касательная составляющая скорости движения вихрей и меньше осевая составляющая их скорости движения.

    И конечно же, также как и волны, вихри это не движение самой материи, а движение состояния. Поэтому, участвующие в вихревом движении, частицы воды двигаются на поверхности воды по траектории окружности (почти что не совершая поступательного движения). А в соответствии с законом сохранения момента количества движения в вихревое движение увлекаются и нижележащие слои, частицы которых двигаются уже не по окружностям, а по эллиптическим траекториям, большая ось которых ориентирована по направлению потока. Эту ситуацию приближённо описывает уже классический эксперимент Тейлора.

     

     

    Рисунок 2.

    Вихри Тейлора

     

     

    В классическом эксперименте Тейлора вихри возникали в зазоре между двумя соосными цилиндрами, внутренний из которых вращался. Развернув же вихри рис. 2 в линию, мы и получим представление о ситуации, существующей в ситуации с волнами, сформированными ветром. Конечно же, вертикальные стенки при этом отсутствуют. Поэтому будет отсутствовать и строгая упорядоченность по вертикали. Круг сечения самого вихря с глубиной будет деформироваться в эллипс. Частицы же воды не подозревают о сложном характере движения СОСТОЯНИЯ вихря. Они будут просто двигаться по эллипсам.

    Но при длительном воздействии ветра характер движения меняется. Вихри Тейлора на разделе двух сред имеют осевую и касательную компоненту своего движения [1]: т.е. вихрь не только катится в направлении движения ветра, но и двигается поперёк его движения. Движение же частичек воды поперёк направления движения ветра сопровождается трением скольжения. Сила трения скольжения порождает противодействующую силу, направленную перпендикулярно (против направления движения ветра). Эта сила в случае движения вихрей Тейлора по поверхности твёрдого тела разрушает их, что и вынуждает природу вновь и вновь создавать когерентную систему вихрей [1].

    Но в рассматриваемом случае мы имеем свободную водную поверхность, которая не ограничена твёрдой поверхностью. Поэтому противодействующая сила, направленная по касательной против направления движения ветра, уменьшает величину силы в вихре Тейлора, имеющую осевое направление. И при длительном воздействии штормового ветра на водную поверхность осевая компонента движения вихрей исчезает. Остаётся одна только касательная компонента движения вихрей Тейлора, что уничтожает гидродинамическое сопротивление, формируемое осевой компонентой движения вихрей.

    К тому же ветер действует на вихрь в касательном направлении. А мы уже знаем [3], что действие силы в касательном направлении в качестве противодействия порождает центростремительную силу. Увеличение энергии вихря увеличивает и его размеры. А колесо большего диаметра всегда катится быстрее колеса меньшего диаметра.

     Поэтому при длительном действии ветра скорость формируемых им вихрей, противореча канонам современной физики, обязана опережать скорость движения ветра. И вихри начинают бежать впереди ветрового паровоза. А это вновь свидетельствует о том, что в случае вихревого движения закон сохранения энергии не действует. Энергия вихрей больше той энергии, которую сообщает им ветер.

    И подобно солитонам на мелкой воде вихри катятся по поверхности, но уже глубокой воды. Для одиночного солитона и для цунами сила гравитации не даёт вихрю подниматься над водной поверхностью. Поэтому цунами и солитон и приобретают вид округлого холма, который просто является сегментом круга. И нелинейные уравнения, используемые для описания солитонов (скажем КДФ или нелинейное уравнение Шредингера), являются игрой математического ума, не имеющей никакого отношения к природной действительности. В случае же последовательности вихрей мы видим только верхнюю их часть, принимая их за волны.

     

     

    Рисунок 3.

    Формирование профиля зыби.

     

     

    Т.к. движения вихря является движением состояния, то в криволинейном секторе частицы воды, вышедшие из одного вихря и не вошедшие ещё в состав второго вихря, формируют гладкую кривую, которая и имитирует профиль волны. В действительности же мы имеем последовательность вихрей, катящуюся по поверхности нижележащей воды.

    Для подтверждения же изложенного положения приведём несколько цитат из работы [2]. «Если ветер долго дует с одинаковой скоростью или стихает, волны начинают опережать ветер. Не испытывая больше попутного давления и попутной силы трения, волны становятся ниже, длиннее, а вместе с длиной увеличивается их скорость; они превращаются в зыбь

    «Длина штормовых волн (от гребня до гребня) не превышает 250 м; волны зыби имеют в длину от 200 до 800 м и даже более. Надо заметить, что вода все-таки немного перемещается в направлении волны, но скорость этого перемещения практически ничтожна. Скорость распространения штормовых волн достигает 60 км, а зыби - 100 и более километров в час.

    Согласно классической теории, частицы воды, участвующие в волновом движении на глубокой воде, описывают орбиту, имеющую форму окружности. Высота волны равна диаметру этой окружности. На Международном океанографическом конгрессе в Москве академиком В. В. Шулейкиным была показана неточность этой теории. На основании длительного изучения движения взвешенных частиц в волновом бассейне Гидрофизического института Украинской Академии наук в Крыму было установлено, что даже при глубине, превосходящей высоту волны, частицы воды движутся по эллипсу, большая ось которого направлена в сторону движения волны.

    Следовательно, мёртвая зыбь в океанах и в морях является последовательностью вихрей Тейлора, двигающихся в направлении своего вращения. Но какова же причина нарушения мёртвой зыбью закона сохранения энергии? Почему при распространении по океанам и морям мёртвая зыбь практически не теряет своей энергии? Рассмотрим для этого взаимодействие двух вихрей Тейлора из их последовательности.

     

    Рисунок 4.

    Взаимодействие двух вихрей Тейлора.

     

     

    Из рис. 3 видно, что в месте контакта двух вихрей Тейлора появляется касательная сила трения. А мы знаем [3], что в этом случае возникает центростремительная сила, увеличивающая энергию вихрей. А т.к. вихри это движение состояния, то включение среды на переднем фронте вихря в его состав и исключение среды из состава вихря на его заднем фронте сопровождается потерями энергии. Поэтому цунами и одиночный солитон с расстоянием уменьшают свою энергию. Но указанное выше увеличение энергии вихря компенсирует потери энергии на движение СОСТОЯНИЯ. И мёртвая зыбь имеет поэтому возможность распространяться по океанам и морям на большие расстояния, практически не теряя энергии.

    Встретив препятствие, вихри мёртвой зыби имеют обыкновение взбираться наверх по вертикальным стенкам. Для объяснения этого можно сослаться на правило прецессии для вихревого движения, в соответствии с которым возникает противодействующая сила перпендикулярная действующей силе. Но можно и просто сказать, что вихри мёртвой зыби продолжают своё качение, но уже по вертикальной стене до тех пор пока сила гравитации их не остановит.

    Вихри мёртвой зыби наносят вред портовым сооружениям. И с ними стараются бороться. Но эта борьба является пустой тратой денег, т.к. при этом не учитывается вихревая природа мёртвой зыби. Ведь с вихрями современная техника уже научилась эффективно бороться. Ведь неважно, какую природу имеют вихри (детерминированную или случайную). А в современных аэродинамических трубах для уничтожения турбулентных вихрей используются решётки.

    Поэтому для защиты портовых сооружений от вихрей необходимо использовать ажурные конструкции, подобные решёткам на входе в аэродинамические трубы. Но ещё большую остроту эта проблема приобретает в случае цунами. Ведь цунами это также вихрь Тейлора, но только одиночный. И трагических последствий от недавнего цунами в Японии можно было бы избежать, если бы её побережье было бы защищено ажурными защитными сооружениями.

     

     

    Литература

     

     

    1.       Sirovich L., Ball K. L., Keefe L. R. Plane waves and structures in turbulent channel flow. Phys Fluids A2 (12), December 1990, 2217-2226

    2.       Горский Н.Н. Тайны океана.

    1. Букреев В.С. крупномасштабная циркуляция в океанах и морях.






    Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru